Расчётно-теоретическое исследование параметров взрыва газо-воздушных смесей

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ

Академия Государственной противопожарной службы

Курсовая работа по дисциплине «Физико-химические методы исследования процессов горения и взрыва»

Тема: Расчётно-теоретическое исследование параметров взрыва газо-воздушных смесей

Москва 2013



Расчёт температуры взрыва

Горючее представляет собой смесь трёх горючих компонентов:

С3О6(пропилен)- 30%, СН4(метан) - 50% и С2Н4(этилен) -20%.

Газо-воздушная смесь находится в технологическом оборудовании при начальных условиях: Т0 = 275 K, Р0 = 98 кПа. Предельное давление для данного технологического оборудования составляет 750 кПа.

Для определения температуры взрыва узнаю объём продуктов горения и количество теплоты, выделившейся при взрыве.

Расчёт объёма продуктов горения.

Запишу уравнение материального баланса процесса отдельно для каждого компонента смеси горючих веществ.

С3Н6+ 4,5О2 + 4,5•3,76N2 > 3СО2 + 3Н2О + 4,5•3,76N2

СН4 + 2О2 + 2•3,76N2 > СО2 + 2Н2О + 2•3,76N2

С2Н4 + 3О2 + 3•3,76N2 > 2СО2 + 2Н2О + 3•3,76N2

Рассчитаю количество молей каждого продукта горения, образующегося при сгорании 1 моля смеси горючих веществ.

n = nС3Н6 цС3Н6/100+nСН4 цСН4/100+nС2Н4 цС2Н4

nCO2 = 3•0,3 + 1•0,5 + 2•0,2 = 1,8 моль/ моль

Аналогично найду количество молей Н2О и N2 в продуктах горения

nH2O = 3•0,3 + 2•0,5 + 2•0,2 = 2,3 моль/ моль

nN2 = 3,76(4,5•0,3 + 2•0,5 + 3•0,2) = 11,1 моль/ моль



Из уравнений материального баланса видно, что количество воздуха, необходимого для сгорания 1 моля смеси горючих газов равно:

nов = (4,5+4,5 • 3,76) •0,3+ (2+2 • 3,76) •0,5+ (3+3• 3,76) •0,2= 21,42•0,3+9,52•0,5+ 11,28•0,2= 13,442 моль

Для установления выбранных численных значений концентраций горючего необходимо найти нижний концентрационный предел распространения (НКПР) и стехиометрическую концентрацию. Нижний концентрационный предел распространения смеси горючих веществ найду по формуле Ле-Шателье, а нижний концентрационный предел распространения каждого отдельного горючего компонента найду из справочной литературы:

цnС3Н6 = 2,4 % об

цnСН4 = 5,28 % об

цnС2Н4 = 2,7 % об

По правилу Ле-Шателье НКПР смеси горючих газов:

цСМ = 1/(мС3Н6/цС3Н6) + (мСН4/цСН4) + (мС2Н4/цС2Н4)

где мi - объёмные доли соответствующего горючего компонента.

Подставляя численные значения м и ц получим:

цСМ = 1/(0,3/2,4) + (0,5/5,28) + (0,2/2,7) = 1/ 0,961=1,04 % об

Стехиометрическую концентрацию горючего определяют из соотношения



цстех = nг•100/ nг + nо в

В нашем случае для сгорания 1 моля смеси горючих веществ требуется 13,442 моля воздуха nо в. Следовательно:

цстех = 1•100/ 1 + 13,442 = 6,92 % об

Для построения зависимостей Твзр=f(цг) и Рвзр=f(цг) необходимо определить значения Твзри Рвзр при нескольких концентрациях горючего. В теоретической части работы рекомендуется помимо цн и цстех выбрать следующие концентрации горючего: 1,2 цн, 1,4цн и 0,8цстех. Для всех этих пяти значений концентрации горючего необходимо рассчитать коэффициент избытка воздуха (б), избыток воздуха (Дnв) и количество молей продуктов горения (nпг). Для примера приведём расчёты для концентрации горючего, равной НКПР (цн):

б= 100- цг/ цг• nов

где цг - концентрация горючего в газо-воздушной смеси.

бцн= 100-1,04/1,04•13,442=7,08

Дnв = nов(б? 1)

Дnв= 13,442 •(7,08-1)= 81,72моль/моль

Тогда полный объём продуктов горения:

nпг = n СО2 + n Н2О + n N2 +Дnв

Подставляя численные значения, получим:



nпг = 1,8+ 2,3+ 11,1+81,72= 96,92 моль/моль

Аналогичные расчёты проведу и для других концентраций горючего.

б1,2цн= 100-1,248/1,248•13,442=5,87

б1,4цн= 100-1,456/1,456•13,442=5,04

б0,8цстех= 100-5,536/5,536•13,442=1,27

б цстех = 100-6,92/6,92•13,442=1,00

Дn1,2цн = 13,442 •(5,87-1)= 65,46моль/моль

Дn1,4цн =13,442 •(5,04-1)= 54,31моль/моль

Дn0,8цстех = 13,442 •(1,27-1)= 3,63моль/моль

Дn цстех = 13,442 •(1,0007-1)=0,0моль/моль

n1,2цн = 1,8+ 2,3+ 11,1+65,46= 80,66 моль/моль

n1,4цн = 1,8+ 2,3+ 11,1+54,31= 69,51 моль/моль

n 0,8цстех = 1,8+ 2,3+ 11,1+3,63= 18,83 моль/моль

n цстех = 1,8+ 2,3+ 11,1+0= 15,21 моль/моль

Результаты расчётов

Расчётные параметры	Концентрация горючего
	цн	1,2цн	1,4цн	0,8цстех	цстех
цг % об	1,04	1,248	1,456	5,536	6,92
б	7,08	5,87	5,04	1,27	1
Дnв моль/моль	81,72	65,46	54,31	3,63	0
nпг моль/моль	96,92	80,66	69,51	18,83	15,21

Расчёт теплоты и температуры взрыва

Теплота взрыва, как и низшая теплота сгорания вещества равна тепловому эффекту химической реакции полного окисления этого вещества. Тепловой эффект химической реакции можно рассчитать, воспользовавшись законом Гесса.

Запишем уравнения химических реакций полного окисления компонентов горючей смеси

С3Н6+ 4,5О2 > 3СО2 + 3Н2О

СН4 + 2О2 > СО2 + 2Н2О

С2Н4 + 3О2 > 2СО2 +2Н2О

Согласно Закону Гесса тепловой эффект химической реакции равен разности между суммой теплоты образования продуктов реакции и суммой теплоты образования исходных веществ. Теплоты образования простых веществ, таких как О2, N2, Н2, то есть веществ, состоящих из атомов одного и того же элемента, принято считать равными нулю.

В соответствии с этим теплоты взрыва С3Н6, СН4 и С2Н4 будут равны:

Qвзр С3Н6 =3ДHСО2 +3ДHН2О ?ДHС3Н6

Qвзр СН4 =ДHСО2 +2ДHН2О ?ДHСН4

Qвзр С2Н4 =2ДHСО2 +2ДHН2О ?ДHС2Н4

где ДНi - теплота образования i-го вещества.

Подставляю значения для ДН в уравнения для расчёта Qвзр:

Qвзр С3Н6 = 3 • 396,6 + 3 • 242,2 - (-2,6) = 1919 кДж/моль

Qвзр СН4 = 396,6 + 2 • 242,2 - 75 = 806 кДж/моль

Qвзр С2Н4= 2 • 396,6 + 2 • 242,2 - (-48,6) = 1326,2 кДж/моль

Теплота взрыва 1 моля смеси горючих газов будет равна:



Qвзр см = Qвзр С3Н6 • цС3Н6/100+ Qвзр СН4 • цС3Н6/100+ Qвзр С2Н4 • цС3Н6/100 = 1919 • 0,3 + 806 • 0,5 + 1326,2 • 0,2 =1243,94 кДж/моль

Расчёт температуры взрыва проводится методом последовательных приближений. Температура взрыва зависит от содержания горючего в газо-воздушной смеси, поэтому её значение необходимо рассчитать для всех выбранных концентраций горючего. Для примера приведу расчёт Твзр для смеси с концентрацией горючего, равной НКПР. Для начала определю среднее значение внутренней энергии, которую будет иметь 1 моль продуктов после взрыва. Для этого всю выделившуюся при взрыве теплоту разделю на количество молей продуктов взрыва:

Uср = Qвзр см/ nпг = 1243,94/96,92 = 12,83 кДж/моль

По зависимости внутренней энергии продуктов горения от температуры выберу, ориентируясь на азот (его больше всего в продуктах горения), первое значение температуры взрыва Т1=1600 оС. При этой температуре полная внутренняя энергия продуктов взрыва составит:

U1 = U СО2 • n СО2+ U Н2О • n Н2О + U N2• n N2+ Uвозд • Дnв

Выберу значения внутренней энергии для СО2, Н2О, N2 и воздуха при Т1 и рассчитаю величину U1.

U1 = 71,3•1,8+54,0•2,3+39,1•11,1+39,5•81,72= 3914,49 кДж/моль

Получил, что U1 больше Qвзр см, т.е. при Т1=1600 оС внутренняя энергия продуктов взрыва больше, чем то тепло, которое выделилось при взрыве. Это означает, что температура взрыва ниже, чем 1600 оС. Выберу следующую температуру Т2=500 оС и рассчитаю, какое количество внутренней энергии продукты горения содержат при температуре 500 оС.

U2 = 18,1•1,8+13,6•2,3+10,7•11,1+10,9•81,72= 1073,38 кДж/моль

Теперь U2 меньше Qвзр см, т.е. внутренняя энергия уже меньше, чем количество теплоты, выделившейся при взрыве. Из этого можно сделать вывод, что температура взрыва, которую ищем, находится между 1600 оС и 500оС. Найду её значение линейной интерполяцией между Т1 и Т2.

Твзр = Т2 + (Т1 ? Т2)/(U1? U2) • (Qвзр см ? U2) = 500 + (1100/2841,11• 170,56) = 566 оС = 839 К

Аналогично рассчитываю значения температуры взрыва для других концентраций горючего. Результаты расчётов свожу в таблицу.

U1 1,2цн = 71,3•1,8+54,0•2,3+39,1•11,1+39,5•65,46= 3272,22 кДж/моль

U2 1,2цн = 18,1•1,8+13,6•2,3+10,7•11,1+10,9•65,46= 896,144 кДж/моль

U1 1,4цн = 71,3•1,8+54,0•2,3+39,1•11,1+39,5•54,31= 2831,795кДж/моль

U2 1,4цн = 18,1•1,8+13,6•2,3+10,7•11,1+10,9•54,31= 774,609 кДж/моль

U1 0,8цстех = 71,3•1,8+54,0•2,3+39,1•11,1+39,5•3,63= 829,935кДж/моль

U2 0,8цстех = 18,1•1,8+13,6•2,3+10,7•11,1+10,9•3,63= 222,197кДж/моль

U1 цстех = 71,3•1,8+54,0•2,3+39,1•11,1+39,5•0= 686,945кДж/моль

U2 цстех = 18,1•1,8+13,6•2,3+10,7•11,1+10,9•0= 182,739кДж/моль

Твзр 1,2цн = 500 + (1100/2376,076•347,796) =661 оС = 934 К

Твзр 1,4цн = 500 + (1100/2057,186•469,331) = 751 оС = 1024 К

Твзр0,8цстех = 500 + (1100/607,738•1021,743) = 2349 оС = 2622 К

Твзрцстех = 500 + (1100/504,206•1061,201) = 2815 оС = 3088 К



Расчётные параметры	Концентрация горючего
	цн	1,2цн	1,4цн	0,8цстех	цстех
цг, % об	1,04	1,248	1,456	5,536	6,92
Твзр, K	839	934	1024	2622	3088

взрыв температура химический реакция

Расчёт давления взрыва при различных концентрациях горючего в газо-воздушной смеси

Величина давления в сосуде определяется температурой взрыва и изменением числа молей в ходе химического превращения.

Р взр = Р0 (Твзр • nпг / Т0 • nгс)

Количество молей в исходной горючей смеси

nгс = nг + б • n0 в

где б • n0в - практическое количество молей воздуха в газо-воздушной смеси.

Например, для смеси с концентрацией горючего, равной НКПР

nгс = 1+7,08 • 13,442= 96,2 моль/моль

а давление взрыва

Р взр =98•839• 96,92/275• 96,2= 301 кПа

Таким образом, давление при взрыве смеси на нижнем концентрационном пределе возрастает ? в 3,1 раза .

Для стехиометрической смеси б = 1, тогда



nгс = 1+ 1 • 13,442 = 14,442 моль/моль

Рвзр = 98•3088• 15,21/275• 14,442 =1158 кПа

При взрыве стехиометрической смеси давление в системе возрастёт в ? 11,8 раз.

Расчёты величины давления взрыва провожу и для других концентраций горючего. Полученные значения заношу в таблицу.

nгс 1,2цн = 1+5,87 • 13,442= 79,9 моль/моль

nгс 1,4цн = 1+5,04 • 13,442= 68,7моль/моль

nгс 0,8цстех = 1+1,27 • 13,442= 18,1 моль/моль

Р взр1,2цн =98•934• 80,66/275• 79,9=336 кПа

Р взр1,4цн =98•1024• 69,51/275• 68,7= 369 кПа

Р взр0,8цстех =98•2622• 18,83/275• 18,1=972 кПа

Расчётные параметры	Концентрация горючего
	цн	1,2цн	1,4цн	0,8цстех	цстех
цг % об	1,04	1,248	1,456	5,536	6,92
nгс, моль/моль	96,2	79,9	68,7	18,1	14,442
Р взр, кПа	301	336	369	972	1158
Р взр/ Р0	3,1	3,4	3,8	9,9	11,8

Построение зависимости Твзр=f(цг) и Рвзр=f(цг) и оценка возможности разрушения технологического оборудования при взрыве газо-воздушной смеси.

Для установления концентрационных границ взрыва газо-воздушной смеси горючих веществ заданного состава рассчитаем верхний концентрационный предел распространения пламени. Согласно справочным данным



цвС3Н6 = 11 % об

цвСН4 = 14,1 % об

цвС2Н4 = 34 % об

В соответствии с правилом Ле-Шателье

цСМ = 1/(мС3Н6/цС3Н6) + (мСН4/цСН4) + (мС2Н4/цС2Н4) = 1/(0,3/11) + (0,5/14,1) + (0,2/34) = 1/ 0,069=14,6 % об

Зависимости температуры и давления взрыва от концентрации горючего беру на основании расчётных данных, приведённых в таблицах. Из анализа полученных расчётных зависимостей Твзр=f(цг) и Рвзр=f(цг) можно сделать следующие выводы.

1. С увеличением содержания горючего в газо-воздушной смеси от концентрации, равной нижнему концентрационному пределу распространения пламени до стехиометрической концентрации температура и давление взрыва увеличиваются. Температура взрыва повышается в 3,7 раза, а давление взрыва в 3,8 раза. Максимальное значение давления взрыва для заданной газо-воздушной смеси составляет 1158 кПа, что превышает начальное давление в 11,8 раз.

Рис. 1 - Зависимость температуры взрыва от концентрации горючего в газо-воздушной смеси



Рис. 2 - Зависимость давления взрыва от концентрации горючего в газо-воздушной смеси

При взрыве газо-воздушной смеси с концентрацией горючего выше % давление взрыва превысит предельное значение, установленное для данного технологического оборудования, в связи, с чем возникнет опасность его разрушения.



Литература

1. Андросов А.С., Салеев Е.П. Примеры и задачи по курсу «Теория горения и взрыва». Учеб. Пособие. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2008.

2. Баратов А.Н., Корольченко А.Я. Пожаро-взрывоопасность веществ и материалов и средства и тушения.

Размещено на Allbest.ru

...